Kristallstrukturanalysen der hydratisierten Cycloamylose 26 und ihrer Einschlusskomplexe mit Trijodid und Fettsäure

Abstract

Kohlenhydrate sind essentielle Bestandteile aller lebenden Organismen und bilden die am weitesten verbreitete Klasse von biologischen Molekülen. Polysaccharide, wie zum Beispiel Stärke, sind ein wichtiger pflanzlicher Energiespeicher und Hauptnahrung für viele Tiere. Amylose ist ein Hauptbestandteil von Stärke und besitzt sehr interessante strukturelle Eigenschaften. Das lineare Polysaccharid Amylose besteht aus alpha(1-4) verknüpften D-Glukoseneinheiten in der gewöhnlichen 4C1-Sesselform. Es liegt in Stärkekörnern als eine Doppelhelix mit verwundenen, parallel orientierten Strängen mit einer 6 x 2 D-Glukosen pro 21,6 Å langen Windung vor. Abhängig vom Wassergehalt finden sich zwei verschiedene Packungszustände dieser Doppelhelices: die dicht gepackte A-Form in Getreide und die größere Mengen Wasser enthaltende und weniger dicht gepackte B-Form in Gemüse. Über den Drehsinn der Helices (links- oder rechtsdrehend) wird immer noch diskutiert, da keine Kristallstrukturen mit atomarer Auflösung für Fragmente der A- oder B-Form verfügbar sind. Eine weitere Form der Amylose ist die V-Form (V = Verkleisterung), bei der das Polymer in einer linksgängigen Helix mit 6 Glukosen pro 8,1 Å hoher Windung und mit einem ungefähr 5 Å breiten Kanal vorliegt. Es wird aus wäßriger Amyloselösung durch Trocknung oder durch Zugabe von kleinen und/oder dünnen Molekülen wie zum Beispiel Jodid, Fettsäuren, Alkoholen, DMSO und vielen anderen erhalten. Diese Moleküle bilden Einschlußkomplexe mit V-Amylose, die intensiv mit Hilfe von Röntgenfaser¬diffraktions studien und spektroskopischen Methoden untersucht wurden. Dabei ist seit seiner Entdeckung 1814 die blaue Jod-Stärke-Reaktion von Interesse. Die einzige offensichtliche Voraussetzung für die Bildung eines Einschlußkomplexes ist die Größe des Gastmoleküls, die zum etwa 5 Å weiten Kanal der V-Amylose passen muß. In Abwesenheit einer Einkristallstruktur von Amylose wurden Fragmente mit V-Konformation, die Cyclodextrine, als Modellsystem benutzt. Das kleinste alpha-Cyclodextrin mit 6 D-Glukosen in einem Makrozyklus simuliert eine Windung der V-Amylosehelix. Erst vor kurzem sind sehr große Cyclodextrine (Cycloamylosen, CA) verfügbar geworden. Die erste Röntgenkristallstruktur eines Mitglieds dieser Familie von Molekülen, die Hydratstruktur von CA26 (eine Cycloamylose mit 26 D-Glukosen im Makrozyklus), zeigt eine Faltung die der Ziffer „8“ entspricht. Die fast zwei Windungen langen V Amylosehelices sind in antiparalleler Orientierung und durch eine Pseudorotationsachse verbunden. Sie sind aus verwundenen Spiralen aufgebaut, die 10 D-Glukosen lang sind und linksgängige V-Amylosehelices in antiparalleler Orientierung bilden. Eine 8,1 Å hohe Windung wird aus 6 D-Glukosen gebildet und die zentralen Kanäle sind mit fehlgeordnetem Wasser gefüllt. Da diese Eigenschaften für V-Amylose charakteristisch sind, ist CA26 ein ideales Modell für dieses Amylosepolymorph. Isothermale Titrationskalorimetriestudien (ITC) der Komplexbildung zwischen I3¯ und CA26-Analogen mit Kettenlängen von 21 bis 32 Glukosen wurden von Kitamura et al. publiziert. Diese Messungen wurden dahingehend interpretiert, daß CA26, in Übereinstimmung mit seiner Faltungsstruktur, zwei Bindungstaschen besitzt, die von I3¯ besetzt werden. Diese Arbeit wird einen Beitrag durch die Beschreibung der Röntgenstrukturaufklärung der CA26-Einschlußkomplexe mit Trijodid und Fettsäure als Gastmoleküle leisten. Die Gastmoleküle sind in den V-Amylosekanälen eingeschlossen und bieten zum ersten Mal Informationen in atomarer Auflösung über die Gastmolekülkonformation und die Interaktion zwischen Wirt- und Gastmolekül. Die Wechselwirkung erfolgt hauptsächlich durch Van-der-Waals-Kontakte zwischen dem Gastmolekül und der Innenseite des helikalen Kanals, welcher einen vorwiegend hydrophoben Charakter besitzt. Die detaillierten Analysen der bevorzugten Orientierung und Position der gebundenen Moleküle zeigen, wie die Wechselwirkungen eine spezifische Bindung erlauben. Cycloamylose 26 konnte erfolgreich als Werkzeug für das Studium der Bildung von Einschlußkomplexen verschiedener relevanter Gastmoleküle in atomarer Auflösung eingesetzt werden.

Carbohydrates are essential components of all living organisms and form the most abundant class of biological molecules. Polysaccharides such as starch are an important food reserve in plants and a major nutrition for animals. Amylose is a major component of starch and has very interesting structural properties. The linear polysaccharide amylose consists of alpha(1-4) linked D-glucose units in the common 4C1-chair form. It is found in starch granules as double helix with intertwined, parallel oriented strands with 6 x 2 D-glucoses per pitch of 21.6 Å. Depending on hydration, two packing modes of these double helices are found: the densely packed A form in cereals and the more hydrated, loosely packed B-form in tubers. Since no crystal structure at atomic resolution is available for amylose fragments in the A- or B form, the twist sense of the double helix (right- or left-handed) is still under discussion. Another polymorph of amylose is the V-form (V = Verkleisterung = gelation) in which the polymer is folded into a left-handed single helix with 6 D-glucoses per turn of 8.1 Å pitch and a ~ 5 Å wide central channel. It is obtained from aqueous solution of amylose by drying or if small and/or slim molecules are added to the solution like iodine, fatty acids, alcohols, Me2SO and many others. These molecules form inclusion complexes with V amylose that have been studied extensively by X-ray fiber diffraction and by spectroscopic methods, with “iodine’s blue” of interest since its discovery in 1814. The only obvious requirement for inclusion formation is that these molecules as guest compounds fit into the ~ 5 Å wide channel provided by V-amylose as host. In the absence of single crystals of amylose fragments showing V-conformation, cyclodextrins were used as model systems, the smallest alpha-cyclodextrin with 6 D-glucoses in the macrocycle simulating one turn of the V-amylose helix. Recently, very large cyclodextrins (cycloamyloses, CA) became available, and the first X-ray crystal structure of one member of this family of molecules, the hydrated form of CA26 (a cycloamylose with 26 D-glucoses in the macrocycle) shows that the macrocycle is folded like the figure “8”, with almost two turns long V-amylose helices in antiparallel orientation related by a pseudo-rotation axis. They are twisted into 10 D-glucoses long V-amylose left-handed single helices in antiparallel orientation that contain 6 D-glucoses per turn of 8.1 Å pitch height, the central channels being occupied by disordered water molecules. Since these features are characteristic of V-amylose, CA26 is an ideal model for this polymorph of amylose. Isothermal titration calorimetry (ITC) studies of the complex formation between I3¯ and CA26 analogs with 21 to 32 glucoses (DP21 to DP32) have been published by Kitamura et al., which suggest that CA26 has two binding sites, each occupied by I3¯, in agreement with the folding structure of CA26. The present contribution describes the X-ray crystal structures of CA26 inclusion complexes with triiodide and with undecanoic acid as guests. The guest molecules are included in the V-amylose channels and provide for the first time information at atomic resolution on guest conformation and host-guest interactions. The interaction is dominated by van der Waals contacts between the guest molecules and the interior of the helical channels, which is dominantly hydrophobic in nature. Details of the orientational and positional preferences of the bound molecules reveal how the interactions induce specificity of binding. Cycloamylose 26 could be successfully applied as a very useful tool to study complex formation at a level of atomic resolution with a variety of relevant guest molecules.